DE2802173A1

DE2802173A1 - Laseranordnung

Info

Publication number: DE2802173A1
Application number: DE19782802173
Authority: DE
Inventors: Nobuo Matsumoto
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-19
Publication date: 1978-07-27
Also published as: FR2378385B1; GB1593212A; FR2378385A1; JPS5390890A; US4163976A; JPS5628392B2; DE2802173B2; DE2802173C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Laseranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Halbleiterlasern ist es sehr wichtig, die Anordnung so auszubilden, daß nur ein Transversalmodus angeregt wird, damit eine hochwirksame Kopplung mit einer Glasfaseroptik in einem einzigen Modus erzielt wird und die Linearität des elektrischen Stromes in Bezug auf die Lichtemission verbessert wird. Um dies zu erreichen, sind verschiedene Laserarten vorgeschlagen worden, nämlich (a) der Rippenführungslaser, (b) der vergrabene Laser, (c) der Planarlaser mit trogförmigem Substrat, (d) der Schmalstreifenlaser und (e) Laser mit tiefer Verunreinigungsdiffusion. Die Laser (a), (b) und (c) haben jedoch die Nachteile, daß wegen ihres Spezialaufbaus ein ausgedehntes epitaktisches Wachstum notwendig ist, daß weiter Vorzugsätzung und andere sonst nicht erforderliche Herstellungsschritte benötigt werden, so daß sie sehr schwierig herzustellen sind, und daß diese Schwierigkeiten die Ausbeute verringern und die Lebensdauer der fertigen Anordnungen ungünstig beeinflussen.

Der Schmalstreifenlaser (d) gewährleistet andererseits Schwingungen in einem einzigen Transversalmodus, wenn die Breite der planaren Streifenstruktur kleiner als die normale Breite von 10 µm gemacht und auf etwa 1 bis 5 µm herabgesetzt wird. Da die planare Streifenstruktur recht gut beherrscht wird, läßt sich diese Abänderung leicht durchführen. Dieser Laser hat aber noch den Nachteil, daß die zum Schwingungseinsatz erforderliche Stromdichte im umgekehrten Verhältnis zur Streifenbreite kräftig ansteigt und daß zur Erzielung derselben abgegebenen Lichtintensität die Endflächen des Lasers durch die erhöhte Lichtintensität innerhalb des Streifens beschädigt werden können.

Der Laser (e) mit tiefer Diffusion einer Verunreinigung stellt eine Abänderung des Planarstreifenlasers dar und besitzt einen Aufbau, worin der Diffusionsbereich einer Verunreinigung vom p-Typ (Zn), welche den Streifen bildet, die aktive Schicht durchdringt und mit seiner Front die erste Schicht erreicht. Diese Laseranordnung hat den Nachteil, daß bei der Diffusion der Verunreinigung in die aktive Schicht eine kristalline Versetzung auftreten kann und die Lebensdauer verringert ist.

Der in Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung zur Verfügung zu stellen, die von den oben geschilderten Nachteilen frei ist. Die erwähnten Probleme wurden erfolgreich mittels einer Laseranordnung gelöst, die einen gekrümmten Streifen in einer epitaktischen Oberflächenschicht aufweist, wobei diese Schicht als Lichtschutzschicht unterhalb der oberflächlichen Epitaxialschicht in einem epitaktischen Kristall mit doppelter Heterostruktur ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Laseranordnung hat insbesondere die Vorteile, daß ein einziger Transversalmodus zum Schwingen angeregt wird und daß die Linearität der Stromstärke im Verhältnis zur Emission hoch ist. Ferner ist die neue Laseranordnung leicht herzustellen und hat einen einfachen Aufbau.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigen

Fig. 1 eine Laseranordnung bekannter Art,

Fig. 2 eine Laseranordnung mit gebogenem Streifen gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Streifens nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm der Lichtstärke in Abhängigkeit von der Stromstärke bei der Erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 5 ein Diagramm der Beziehungen zwischen dem Krümmungsradius des gebogenen Streifenabschnitts und dem Zentriwinkel Theta und

Fig. 6 die Stirnansicht einer Laseranordnung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1, die eine Laseranordnung nach dem Stand der Technik darstellt, sind Metallelektroden 7 und 8 durch Aufdampfen auf beiden Hauptoberflächen einer Halbleiterscheibe 1 ausgebildet.

Letztere hat eine doppelte Heterostruktur, worin eine n-Schicht 3 mit der Zusammensetzung Al[tief]0,3Ga[tief]0,7As, eine n-Schicht 4 mit der Zusammensetzung Al[tief]0,06Ga[tief]0,94As, eine p-Schicht 5 mit der Zusammensetzung Al[tief]0,3Ga[tief]0,7As und eine n-Schicht 6 aus GaAs nacheinander epitaktisch in einer Flüssigphase auf einer Oberfläche eines Substrats 2 vom n-Typ aus GaAs aufgewachsen sind.

In dieser Halbleiteranordnung wird ein Streifen 9 durch selektive Diffusion von Zn oder eine andere Methode so ausgebildet, daß ein elektrischer Strom nur durch den unteren Teil des Streifens fließen kann, und zwei einander parallele und senkrecht zum Streifen verlaufende Ebenen 10 und 11 werden durch Spalten gebildet, um als Spiegelflächen für die Resonanz zu dienen.

Wenn bei dieser bekannten Halbleiteranordnung die Breite d des Streifens 9 über 20 µm liegt, ist die Linearität der Beziehung zwischen Stromstärke und Lichtabgabe groß, aber die gesamte Stromstärke beim Schwingungseinsatz nimmt zu; wenn 10 µm < d < 20 µm, verringert sich die Linearität merklich. Wenn andererseits d < 10 µm, ist die Linearität wieder gut, aber die Stromdichte bei Schwingungseinsatz steigt an und wenn man die gleiche äußere Lichtintensität wie im Falle des breiteren Streifens erzielen will, muß die Lichtintensität innerhalb des Streifens so hoch gemacht werden, daß die Reflexionsebenen des Lasers beschädigt werden.

Diese Nachteile lassen sich mittels der in Fig. 2 dargestellten Laseranordnung vermeiden. Eine Schicht 27 aus Cr-Au-Legierung und eine Legierungsschicht 28 aus Au-Ge-Ni sind als ohmsche Elektroden an der oberen bzw. unteren Oberfläche einer Halbleiterscheibe 26 mit doppelter Heterostruktur ausgebildet. Diese besteht aus einem Substrat 21 vom n-Typ aus GaAs, auf das eine n-Schicht 22 aus Al[tief]xGa[tief]1-xAs, eine n-Schicht 23 aus Al[tief]yGa[tief]1-yAs als aktive Schicht, eine p-Schicht 24 aus Al[tief]xGa[tief]1-xAs und eine n-Schicht 25 aus GaAs (y < x) nacheinander epitaktisch aufgewachsen sind, und ein mit Zinkdiffusion gebildeter Streifen 29 ist dadurch ausgebildet, daß Zink von der Scheibenoberfläche bis in die Nähe der aktiven Schicht 23 eindiffundiert ist, d.h. bis zu einer Tiefe einschließlich der p-Schicht 24 aus Al[tief]xGa[tief]1-xAs und der n-Schicht 25 aus GaAs, aber ohne die aktive Schicht 23 zu erreichen.

Auf den Endflächen der Scheibe sind zwei parallele Spaltebenen 30 und 31 ausgebildet. Der Streifen 29 verläuft senkrecht zu den Spaltebenen und erstreckt sich in einem schmalen Band zwischen diesen. Er besteht im einzelnen aus zwei geraden, gegeneinander versetzten Abschnitten und einem gekrümmten Abschnitt, der den Übergang zwischen diesen geraden Abschnitten besorgt.

Der Streifen 29 wird z.B. in folgender Weise gebildet. Die p-Schicht 24 aus Al[tief]xGa[tief]1-xAs mit einer Dicke von 2 µm und die n-Schicht 25 aus GaAs mit einer Dicke von 1 µm werden auf der aktiven Schicht 23 gebildet, die eine n-Schicht aus Al[tief]yGa[tief]1-yAs mit einer Dicke von 0,5 µm ist. Ein nicht dargestellter SiO[tief]2-Überzug wird auf der Deckschicht 25 aus GaAs niederge- schlagen. Dann wird ein schmales langgestrecktes Fenster, dessen Gestalt derjenigen des zukünftigen Streifens entspricht und dessen Breite 10 µm beträgt, in diesem SiO[tief]2-Überzug ausgebildet und Zn wird selektiv durch dieses Fenster bis zu einer Tiefe von etwa 2 µm eindiffundiert, d.h. durch die n-Schicht 25 aus GaAs bis zur Mitte der p-Schicht 24 aus Al[tief]xGa[tief]1-xAs, aber nicht bis zu der aktiven Schicht 23. Wenn der Streifen 29 fertig ist, wird der SiO[tief]2-Überzug mit Flusssäure entfernt und danach wird die ohmsche Elektrode 27 auf der ganzen Oberfläche der Schicht 25 einschließlich des Streifens 29 gebildet und die parallelen Spaltebenen 30 und 31 werden als Resonator ausgebildet.

Die Gestalt des Streifens 29 und insbesondere des gekrümmten Abschnitts läßt sich im einzelnen der Fig. 3 entnehmen. Von einem Punkt A an einer Kante CA eines ersten geraden Abschnitts des Streifens geht ein erster Bogen A^E mit dem Krümmungsradius R[tief]1 und dem Krümmungsmittelpunkt O[tief]1 aus. Er endet in einem ersten Endpunkt E. Daran schließt sich ein zweiter Bogen E^B mit dem Krümmungsradius R[tief]2, sowie dem Krümmungsmittelpunkt O[tief]2 an der anderen Seite der Tangente an den Punkt E. Der Endpunkt B des zweiten Bogens E^B leitet zu einem zweiten geraden Abschnitt BD des Streifens über. Der gerade Abschnitt CA, die Bögen A^E und E^B und der gerade Abschnitt BD sind glatt miteinander verbunden und bilden so eine Randlinie CAEBD[mit Überstrich] des Streifens. Die andere Randlinie C'A'E'B'D'[mit Überstrich] wird erzeugt, indem die Randlinie CAEBD[mit Überstrich] parallel um die Breite d des Streifens senkrecht zum geraden Abschnitt BD verschoben wird. In dem so gebildeten Streifen 29 sei der Zentriwinkel des ersten Bogens A^E mit Theta[tief]1 und der Winkel des zweiten Bogens E^B mit Theta[tief]2 bezeichnet.

In dem beschriebenen Halbleiterlaser, der aus einer Doppel-Heterostruktur-Scheibe aus AlGaAs besteht und die soeben erläuterte Streifenform besitzt, ergeben sich folgende Schwingungseigenschaften mit der Streifengestalt als Parameter:

Es wurden drei verschiedene Streifentypen untersucht, nämlich

(1) gerade über die ganze Länge;

(2) gekrümmter Abschnitt mit R[tief]1 = R[tief]2 = 1000 µm,

Theta[tief]1 = Theta[tief]2 = 5,6° und

(3) gekrümmter Abschnitt mit R[tief]1 = R[tief]2 = 250 µm,

Theta[tief]1 = Theta[tief]2 = 16°.

Acht Exemplare der Laseranordnung für jeden der drei erwähnten Typen wurden hergestellt und ihre Lichtausbeute in Abhängigkeit von der Stromstärke gemessen. Hierbei wurde die Elektrode 27 nach Fig. 2 an den Pluspol und die Elektrode 28 an den Minuspol einer Spannungsquelle gelegt und die Spannung soweit gesteigert, bis eine Lichtemission beobachtet werden konnte. Die Lichtintensität wurde mit einer Spitzen-Fotodiode gemessen und der Wert der fotoelektrischen Erregungsstromstärke gemessen. Tabelle I zeigt die Ergebnisse der Beobachtungen.

Tabelle I

In diesem Falle hatten die einzelnen Schichten in dem Kristallplättchen stets folgende Dicken: Das Substrat 21 war 100 µm dick, die Schicht 22 war 5 µm dick, die Schicht 23 war 0,5 µm dick, die Schicht 24 war 2 µm dick und die Schicht 25 war 1 µm dick. Die Dicke der Elektrode 27 war 3000 Angström und diejenige der Elektrode 28 war 2000 Angström.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm Daten von Probe 1 der Streifentypen (1) - (3) gemäß Tabelle I. Sie stimmen gut mit denjenigen der sieben anderen Proben überein, woraus hervorgeht, daß die beschriebene Laseranordnung sehr gut reproduzierbar ist. In dem Diagramm bezieht sich die charakteristische Kurve a auf Typ (1), Kurve b gilt für Typ (2) und Kurve c für Typ (3). Wie man sieht, hat Kurve a einen Knick in der Abhängigkeit der Lichtemission von der Stromstärke, während die Kurven b und c diesen Knick nicht aufweisen. Damit zeigt sich, daß die Linearität der Lichtemissionskurve bemerkenswert verbessert ist. Der Grund für diese Erscheinung liegt darin, daß der Strahlungsverlust des Laserstrahls infolge des Streifenknicks in den höheren Transversalmoden so groß ist, daß nur die Schwingung im Grundmodus stattfindet. Wenn z.B. für den gekrümmten Abschnitt des Streifens R[tief]1 = R[tief]2 = 1000 µm und Theta = 5,6° gilt, beträgt der Strahlungsverlust im Grundmodus etwa 1 dB und im nächst höheren Transversalmodus mehr als 2 dB.

Hinsichtlich der Beziehungen zwischen dem Krümmungsradius R der Streifenkrümmungen und dem Zentriwinkel Theta, der dem Krümmungsbogen zugeordnet ist, gilt folgendes:

Die Bedingung, daß die beiden geraden Streifenabschnitte sich nicht überlappen sollen, liefert bei einer Streifenbreite d die Ungleichungen

R[tief]1 (1 - cos Theta[tief]1) < d und

} (1)

R[tief]2 (1 - cos Theta[tief]2) < d

Wenn die Länge der Laseranordnung L ist, muß ferner die Summe der beiden Kreisbögen in Längsrichtung kürzer als L sein; das gibt

R[tief]1 sin Theta + R[tief]2 sin Theta[tief]2 < L (2)

Wenn das Niveau des Schwingungseinsatzes im Falle des geraden Streifens Jth[hoch](o) ist, soll die Grenze des Schwingungseinsatzes im Falle des hier beschriebenen Streifens praktisch unterhalb 3 Jth[hoch](o) liegen, also

Theta[tief]1 : R[tief]1 + Theta[tief]2 : R[tief]2 < 0,16 (3)

Demgemäß sollen vorzugsweise R und Theta in dem Bereich liegen, in dem die obigen drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind. Hierbei sind Theta in Winkelgraden und R[tief]1, R[tief]2, L und d in µm ausgedrückt.

Fig. 5 zeigt in einem Diagramm die Beziehungen der obigen drei Ungleichungen (1), (2) und (3) für den Fall R[tief]1 = R[tief]2 und Theta[tief]1 = Theta[tief2; die schraffierte Fläche entspricht dem bevorzugten Bereich für R und Theta.

Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Laseranordnung. Hier sind eine Epitaxialschicht 42 vom n-Typ aus InP, eine Ga[tief]1-yIn[tief]yAs[tief]1-xP[tief]x-Schicht 43, worin 0,5 < y < 0,8 und 0 < x < 0,4, und eine p-Schicht 44 aus InP auf einem n-leitenden Substrat 41 aus InP ausgebildet. Eine Schicht 45 aus einer Cr-Au-Legierung und eine Schicht 46 aus einer AuSn-Legierung dienen als Elektroden auf der Oberseite der p-Schicht 44 aus InP bzw. der Unterseite des Substrats 41. Ein Streifen 47 ist in der Schicht 44 durch Diffusion von Zink bis zu einer Tiefe ausgebildet, die in die Mitte der Schicht 44 reicht, die aktive Schicht 43 aber nicht erfaßt.

Bei einem ausgeführten Beispiel dieser Anordnung war das Substrat 41 100 µm dick, die Dicke der Schicht 42 betrug 5 µm, diejenige der Schicht 43 0,5 µm, diejenige der Schicht 44 3 µm und die Elektroden 45 und 46 hatten Dicken von 3000 und 2000 Angström.

Auch diese Ausführungsform ergab eine bemerkenswerte Verbesserung der Linearität der Lichtemissionscharakteristik in Abhängigkeit von der Stromstärke wie in der ersten Ausführungsform.

Die beschriebene, einfach herzustellende Laseranordnung hat somit eine bemerkenswert verbesserte Emissionscharakteristik und ist beispielsweise als Lichtquelle für optische Nachrichtenzwecke sehr gut geeignet.

Claims

1. Halbleiter-Laseranordnung, bestehend aus einer Anzahl auf einem Substrat ausgebildeter Epitaxialschichten mit Halbleitern der Gruppe III - V in doppelter Heterostruktur, mit einer aktiven Schicht, einer darüber befindlichen Lichtschutzschicht eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, sowie einem in der Lichtschutzschicht ausgebildeten Streifen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, der durch Diffusion einer Verunreinigung bis zu einer Tiefe, welche die aktive Schicht nicht erreicht, entstanden ist, und mit ohmschen Elektroden auf der Oberfläche der Streifenschicht und auf der Rückseite des Substrats, sowie mit zwei zueinander parallelen Spaltebenen zur Bildung eines Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (29) zwei senkrecht zu den Spaltebenen (30, 31) verlaufende, gegeneinander versetzte gerade Abschnitte und einen dieselben glatt verbindenden gekrümmten Abschnitt in der Mitte aufweist.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Streifenabschnitt die gleiche Breite (d) wie die beiden geraden Abschnitte und zwei Kreisbögen aufweist.

3. Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kreisbögen folgende Bedingungen erfüllen:

R[tief]1 (1 - cos Theta[tief]1) < d,

R[tief]2 (1 - cos Theta[tief]2) < d,

R[tief]1 sin Theta[tief]1 + R[tief]2 sin Theta[tief]2 < L und

Theta[tief]1 : R[tief]1 + Theta[tief]2 : R[tief]2 < 0,16

wobei d die Streifenbreite, R[tief]1 und R[tief]2 die Krümmungsradien, Theta[tief]1 und Theta[tief]2 die Zentriwinkel der Kreisbögen, L der Abstand der Spaltebenen sind.

4. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelte Heterostruktur eine n-leitende Schicht (22) aus Al[tief]xGa[tief]1-xAs, eine n-leitende Schicht (23) aus AlGa[tief]1-yAs und eine p-leitende Schicht (24) aus Al[tief]xGa[tief]1-xAs umfaßt, wobei y < x.

5. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelte Heterostruktur eine n-leitende Schicht 42 aus InP und eine Schicht 43 aus Ga[tief]1-yIn[tief]yAs[tief]1-xP[tief]x umfaßt, wobei 0,5 < y < 0,8 und 0 < x < 0,4 ist.